Mulai dari pemanfaatan api alam purba, penggunaan kayu bor untuk api, hingga penggunaan batu bara dan minyak, perkembangan peradaban manusia pada hakikatnya adalah pengembangan kemampuan pemanfaatan energi. Selama ini peradaban manusia dan pembangunan ekonomi sebagian besar bertumpu pada pengembangan dan pemanfaatan energi fosil. Pada abad ke-21, karena kekhawatiran terhadap cadangan energi fosil tak terbarukan di bumi, serta semakin parahnya pencemaran lingkungan akibat eksploitasi dan penggunaan energi fosil, masyarakat akan mengeksplorasi bidang energi ramah lingkungan yang ramah lingkungan, seperti: energi matahari, energi angin, energi air...
“Hanya pemecahan masalah ilmiah tentang penggunaan energi matahari yang efisien yang merupakan jalan menuju pembangunan berkelanjutan bagi umat manusia.” Profesor Chen Yongsheng, Fakultas Kimia, Universitas Nankai, menegaskan, “Matahari adalah ibu dari segala sesuatu dan ‘sumber’ energi. Jika energi matahari yang mencapai bumi suatu saat dapat dimanfaatkan menjadi dua bagian per 10.000, seluruh kebutuhan energi masyarakat manusia dapat dipenuhi. Oleh karena itu, Profesor Chen Yongsheng dan timnya meringkas misi penelitian ilmiah mereka menjadi satu kalimat - "ke matahari untuk mendapatkan energi"!
1. Sel surya organik diharapkan dapat dikomersialkan
Dalam penggunaan teknologi energi surya oleh manusia, sel surya, yaitu penggunaan "efek fotovoltaik" untuk secara langsung mengubah energi cahaya menjadi perangkat energi listrik, saat ini banyak digunakan, tetapi juga salah satu teknologi yang paling menjanjikan.
Sejak lama, masyarakat lebih banyak mengandalkan bahan anorganik seperti silikon kristal untuk membuat sel surya. Namun produksi baterai jenis ini memiliki kekurangan seperti proses yang rumit, biaya tinggi, konsumsi energi yang tinggi dan polusi yang berat. Menemukan bahan organik baru dengan biaya rendah, efisiensi tinggi, fleksibilitas kuat, dan ramah lingkungan untuk mengembangkan sel surya jenis baru kini menjadi tujuan para ilmuwan di seluruh dunia.
“Dengan menggunakan bahan karbon paling melimpah di bumi sebagai bahan baku dasar, memperoleh energi ramah lingkungan yang efisien dan berbiaya rendah melalui cara-cara teknis sangatlah penting untuk memecahkan masalah energi utama yang dihadapi umat manusia saat ini.” Chen Yongsheng memperkenalkan bahwa penelitian elektronik organik dan bahan fungsional organik (polimer), yang dimulai pada tahun 1970-an, telah memberikan peluang untuk mewujudkan tujuan tersebut.
Dibandingkan dengan bahan semikonduktor anorganik yang diwakili oleh silikon, semikonduktor organik memiliki banyak keunggulan seperti biaya rendah, keragaman bahan, fungsi yang dapat disesuaikan, dan pencetakan yang fleksibel. Saat ini, tampilan berdasarkan dioda pemancar cahaya organik (OLed) telah diproduksi secara komersial dan banyak digunakan pada tampilan ponsel dan TV.
Sel surya organik berbahan dasar polimer organik sebagai lapisan aktif fotosensitif memiliki keunggulan keragaman struktur bahan, persiapan pencetakan berbiaya rendah di area yang luas, fleksibel, tembus cahaya bahkan transparansi penuh, serta memiliki banyak karakteristik unggulan yang tidak dimiliki oleh teknologi sel surya anorganik. memiliki. Selain sebagai perangkat pembangkit listrik biasa, perangkat ini juga memiliki potensi penerapan yang besar di bidang lain seperti integrasi bangunan hemat energi dan perangkat yang dapat dikenakan, yang telah membangkitkan minat besar di kalangan akademisi dan industri.
"Terutama dalam beberapa tahun terakhir, penelitian sel surya organik telah mencapai perkembangan pesat, dan efisiensi konversi fotolistrik terus diperbarui." Saat ini, komunitas ilmiah umumnya percaya bahwa sel surya organik telah mencapai 'awal' komersialisasi." Kata Chen Yongsheng.
2. Menerobos kemacetan: berupaya meningkatkan efisiensi konversi fotolistrik
Hambatan yang membatasi pengembangan sel surya organik adalah rendahnya efisiensi konversi fotolistrik. Meningkatkan efisiensi konversi fotolistrik adalah tujuan utama penelitian sel surya organik dan kunci industrialisasinya. Oleh karena itu, penyiapan bahan aktif yang dapat diproses dalam larutan dengan efisiensi tinggi, biaya rendah, dan reproduktifitas yang baik merupakan dasar untuk meningkatkan efisiensi konversi fotolistrik.
Chen Yongsheng memperkenalkan bahwa penelitian awal sel surya organik terutama berfokus pada desain dan sintesis bahan donor polimer, dan lapisan aktifnya didasarkan pada heterostruktur massal reseptor turunan fullerene. Dengan kemajuan penelitian terkait yang berkelanjutan dan kebutuhan material yang lebih tinggi dalam teknologi perangkat, material oligomolekul yang dapat larut dengan struktur kimia yang dapat ditentukan telah menarik perhatian yang besar.
“Bahan-bahan ini memiliki keunggulan struktur sederhana, pemurnian mudah, dan reproduktifitas hasil perangkat fotovoltaik yang baik.” Chen Yongsheng mengatakan bahwa pada tahap awal, sebagian besar larutan molekul kecil tidak bagus dalam membentuk film, sehingga penguapan terutama digunakan untuk menyiapkan perangkat, yang sangat membatasi prospek penerapannya. Bagaimana merancang dan mensintesis bahan lapisan aktif fotovoltaik dengan kinerja yang baik dan struktur molekul yang ditentukan merupakan masalah utama yang diakui oleh para ilmuwan.
Dengan wawasannya yang tajam dan analisis yang cermat terhadap bidang penelitian, Chen Yongsheng dengan tegas memilih bahan aktif molekul kecil organik dan oligomer baru yang dapat diproses dengan larutan, yang memiliki risiko dan tantangan besar pada saat itu, sebagai titik terobosan dalam pembangkit listrik tenaga surya. riset. Dari desain bahan molekul hingga optimalisasi persiapan perangkat fotovoltaik, Chen Yongsheng memimpin tim peneliti ilmiah untuk melakukan penelitian ilmiah siang dan malam, dan setelah 10 tahun upaya tak henti-hentinya, akhirnya membangun bahan surya organik molekul kecil oligomer yang unik sistem.
Dari efisiensi 5% hingga lebih dari 10%, dan kemudian hingga 17,3%, mereka terus memecahkan rekor dunia di bidang efisiensi konversi fotovoltaik sel surya organik. Konsep dan metode desain mereka telah banyak digunakan oleh komunitas ilmiah. Selama dekade terakhir, mereka telah menerbitkan hampir 300 makalah akademis di majalah-majalah terkenal internasional dan mengajukan lebih dari 50 paten penemuan.
3. Satu langkah kecil untuk efisiensi, satu lompatan besar untuk energi
Chen Yongsheng telah memikirkan seberapa tinggi efisiensi sel surya organik dapat dicapai, dan apakah sel surya tersebut akhirnya dapat bersaing dengan sel surya berbasis silikon? Di manakah "titik kelemahan" penerapan sel surya organik dalam industri dan bagaimana cara memecahkannya?
Dalam beberapa tahun terakhir, meskipun teknologi sel surya organik telah berkembang pesat, efisiensi konversi fotolistrik telah melebihi 14%, namun dibandingkan dengan bahan anorganik dan perovskit yang terbuat dari sel surya, efisiensinya masih rendah. Meskipun penerapan teknologi fotovoltaik harus mempertimbangkan sejumlah indikator seperti efisiensi, biaya dan masa pakai, efisiensi selalu menjadi yang pertama. Bagaimana memanfaatkan keunggulan bahan organik, mengoptimalkan desain bahan dan memperbaiki struktur baterai serta proses persiapan, sehingga memperoleh efisiensi konversi fotolistrik yang lebih tinggi?
Sejak tahun 2015, tim Chen Yongsheng mulai melakukan penelitian terhadap sel surya laminasi organik. Ia percaya bahwa untuk mencapai atau bahkan melampaui tujuan kinerja teknis sel surya berbasis bahan anorganik, desain sel surya laminasi adalah solusi yang sangat potensial - sel surya laminasi organik dapat memanfaatkan dan memanfaatkan sepenuhnya. bahan organik/polimer, seperti keragaman struktural, penyerapan sinar matahari dan penyesuaian tingkat energi. Diperoleh bahan lapisan aktif sub-sel dengan penyerapan sinar matahari komplementer yang baik, sehingga mencapai efisiensi fotovoltaik yang lebih tinggi.
Berdasarkan ide di atas, mereka menggunakan serangkaian molekul kecil oligomer yang dirancang dan disintesis oleh tim untuk menyiapkan 12,7% sel surya laminasi organik, menyegarkan efisiensi bidang sel surya organik pada saat itu, hasil penelitian dipublikasikan di lapangan. dari jurnal terkemuka "Nature Photonics", dan penelitian ini terpilih sebagai "Sepuluh Kemajuan Teratas dalam Optik Tiongkok pada tahun 2017".
Berapa banyak ruang untuk meningkatkan efisiensi konversi fotolistrik sel surya organik? Chen Yongsheng dan timnya secara sistematis menganalisis ribuan literatur dan data eksperimen tentang bahan dan perangkat di bidang energi surya organik, dan dikombinasikan dengan akumulasi penelitian dan hasil eksperimen mereka sendiri, memperkirakan efisiensi konversi fotolistrik maksimum sebenarnya dari sel surya organik termasuk multi- perangkat lapisan, serta persyaratan parameter untuk bahan lapisan aktif yang ideal. Berdasarkan model ini, mereka memilih bahan lapisan aktif sel depan dan sel belakang dengan kapasitas serapan komplementer yang baik di daerah tampak dan inframerah dekat, dan memperoleh efisiensi konversi fotolistrik terverifikasi sebesar 17,3%, yang merupakan konversi fotolistrik tertinggi di dunia. efisiensi yang dilaporkan dalam literatur sel surya organik/polimer saat ini, mendorong penelitian sel surya organik ke tingkat yang lebih tinggi.
"Menurut permintaan energi Tiongkok sebesar 4,36 miliar ton setara batubara standar pada tahun 2016, jika efisiensi konversi fotolistrik sel surya organik ditingkatkan sebesar satu poin persentase, maka permintaan energi tersebut akan dihasilkan oleh sel surya, yang berarti emisi karbon dioksida dapat dikurangi sekitar 160 juta ton per tahun." kata Chen Yongsheng.
Beberapa orang mengatakan bahwa silikon adalah bahan dasar terpenting di era informasi, dan pentingnya silikon sudah terbukti dengan sendirinya. Namun, dalam pandangan Chen Yongsheng, bahan silikon juga memiliki kelemahan: "Belum lagi biaya energi dan lingkungan yang besar yang harus dibayar oleh bahan silikon dalam proses penyiapannya, karakteristiknya yang keras dan rapuh sulit memenuhi kebutuhan fleksibel manusia di masa depan. perangkat yang 'dapat dipakai'." Oleh karena itu, produk teknis berdasarkan bahan karbon fleksibel dengan lipatan yang baik akan menjadi arah pengembangan disiplin bahan baru yang dapat diperkirakan."
